Septum electromagnet for beam deflection and separation, electromagnet for beam deflection and separation, beam deflecting method

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビーム偏向分離用セプタム電磁石、ビーム偏向分離用電磁石、及びビーム偏向方法に関し、詳しくは、荷電粒子加速器に対するビームの入射、あるいは荷電粒子加速器からのビームの取り出しなどに好適に用いることのできるビーム偏向分離用セプタム電磁石、ビーム偏向分離用電磁石、及びビーム偏向方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、荷電粒子加速器に対するビームの入射及び取り出しに際しては、セプタム電磁石が用いられていた。 図１は、従来のセプタム電磁石の横方向断面図であり、図２は、従来のセプタム電磁石の縦方向断面図である。 図１及び図２に示すように、内部導体１及びセプタム導体３を含む、例えば蔵型のコイルに対して所定の電流を流すことにより、紙面に垂直な磁場Ｂをヨーク５内に発生させる。 この磁場は、セプタム導体３で遮蔽されるため、ヨーク５の外部に漏洩しない。

【０００３】図１及び図２に示すようなセプタム電磁石を荷電粒子加速器の所定の軌道（取り出し軌道）上に配置すると、磁場Ｂ内を通過する取り出しビームは磁場Ｂ
によって所定の角度θだけ偏向して、その軌道方向を変化させる。 一方、磁場Ｂはセプタム導体３で遮蔽されているため、セプタム電磁石外の軌道（周回軌道）上を通過するビームは磁場Ｂによって偏向されることなく進行する。 したがって、目的とするビームをセプタム電磁石内を通過させることによって、荷電粒子加速器から外部に取り出すことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１及び図２に示す構成のセプタム電磁石では、セプタム導体２に対して磁場Ｂより強大な電磁力が作用するため、セプタム導体に対して十分な強度を有する支持機構を付与しなければならない。 その一方で、セプタム電磁石内のスペースは限られたものであるため、上述したような支持機構の設置は容易でない。

【０００５】また、磁場Ｂの強度を大きくすると、ヨーク５内において透磁率が飽和してしまい、磁場Ｂが部分的にヨーク５の外に漏れ出して周回軌道にあるビームに影響を及ぼしてしまう可能性がある。 この漏洩磁場を低減するために、磁気シールド板をセプタム導体３に隣接させて設けることも考えられるが、セプタム導体３の厚さが実質的に増大して、セプタム電磁石の性能が低下してしまうという問題があった。

【０００６】本発明は、上述した問題を生じることのない、全く新規な構成のビーム偏向分離用セプタム電磁石及びビーム偏向分離用電磁石を提供するとともに、これらを用いたビーム偏向方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、セプタム導体によって離隔された第１のビーム偏向磁極空隙と、第２のビーム偏向磁極空隙とを具え、前記セプタム導体を含むコイルに所定の電流を流すことによって、前記第１のビーム偏向磁極空隙及び前記第２のビーム偏向磁極空隙において互いに逆方向の磁場を生じさせ、前記第１のビーム偏向磁極空隙を通過するビームと前記第２のビーム偏向磁極空隙を通過するビームとを、それぞれ所定の角度で互いに逆方向に偏向させるようにしたことを特徴とする、ビーム偏向分離用セプタム電磁石に関する。

【０００８】本発明のビーム偏向分離用セプタム電磁石を、例えば、荷電粒子加速器のビーム軌道上に配置する。 そして、取り出し軌道上にあるビームを、例えば、
前記ビーム偏向分離用セプタム電磁石の第１の偏向磁極空隙内を通過するようにする。 また、周回軌道上にあるビームを、例えば、前記ビーム偏向分離用セプタム電磁石の第２の偏向磁極空隙内を通過するようにする。

【０００９】第１の偏向磁極空隙及び第２の偏向磁極空隙にはそれぞれ逆向きの磁場が発生しているため、取り出し軌道上にあるビームと、周回軌道上にあるビームとはそれぞれ逆向きの電磁力を受け、所定の角度で逆向きに偏向される。 したがって、周回軌道にあるビームの軌道方向と取り出し軌道にあるビームの軌道方向とは、上記偏向によって互いに異なるようになるため、取り出し軌道上にあったビームの分離を容易に行うことができ、
結果として、前記荷電粒子加速器で加速されたビームの取り出しを容易に行うことができる。

【００１０】また、本発明のビーム偏向分離用セプタム電磁石の、第１のビーム偏向磁極空隙及び第２のビーム偏向磁極空隙における磁場方向を、上述したビームの取り出しに用いた場合と相対的に逆向きにすることによって、外部からのビームの入射を容易に行うことができる。

【００１１】本発明のビーム偏向分離用セプタム電磁石は、セプタム導体を挟んで互いに逆向きの磁場が発生しているため、これらの磁場からセプタム導体に作用する電磁力が相殺されるようになる。 したがって、セプタム導体に対する支持機構を比較的簡易に設計することができる。

【００１２】また、例えば、セプタム電磁石の第１の偏向磁極空隙内の磁場が外部に漏洩したとしても、この漏洩磁場は前記セプタム電磁石の第２の偏向磁極空隙内の磁場から外部に漏洩した磁場によって相殺される。 したがって、漏洩磁場の発生を効果的に抑制することができ、磁気シールド板などを設ける必要もなくなる。

【００１３】また、本発明は、セプタム導体によって離隔された第１のビーム偏向磁極空隙及び第２のビーム偏向磁極空隙を有するビーム偏向分離用セプタム電磁石と、補助電磁石とを具え、前記ビーム偏向分離用セプタム電磁石の前記セプタム導体を含むコイルに所定に電流を流すことによって、前記ビーム偏向分離用セプタム電磁石の前記第１のビーム偏向磁極空隙及び前記第２のビーム偏向磁極空隙において互いに逆方向の磁場を生じさせ、前記第１のビーム偏向磁極空隙を通過するビームと前記第２のビーム偏向磁極空隙を通過するビームとを、
それぞれ所定の角度で互いに逆方向に偏向させるとともに、前記ビーム偏向分離用セプタム電磁石の、前記第２
のビーム偏向磁極空隙を通過する前記偏向されたビームを、前記補助電磁石を通過させることにより前記偏向を打ち消すようにしたことを特徴とする、ビーム偏向分離用電磁石に関する。

【００１４】本発明のビーム偏向分離用電磁石は、上述したビーム偏向分離用セプタム電磁石に加えて補助電極を設けている。 そして、前記ビーム偏向分離用セプタム電磁石の前記第２の偏向磁極空隙で偏向されたビームを、前記補助電極中を通過させることによって、前記偏向を打ち消すようにしている。 したがって、周回軌道上のビームは何ら軌道方向を変えることなく、周回軌道上を連続して運動することができる。

【００１５】すなわち、本発明のビーム偏向分離用電磁石によれば、取り出し軌道上にあるビームの軌道方向のみを変えることができ、荷電粒子加速器内におけるビームの加速を妨害することなく、取り出し軌道上にある所定のビームのみを分離して取り出すことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。 図３は、本発明のビーム偏向分離用電磁石の好ましい態様の構成を示す横方向断面図である。 図４は、Ｉ−Ｉ線に沿って切った場合の縦方向断面図であり、図５は、II−II線に沿って切った場合の縦方向断面図であり、図６は、III−III線に沿って切った場合の縦方向断面図である。

【００１７】図３〜６に示す本発明のビーム偏向分離用電磁石１０は、中央部において本発明に従ったビーム偏向分離用セプタム電磁石２０を有するとともに、ビーム進行方向前方において第１の補助電磁石３０を有し、ビーム進行方向後方において第２の補助電磁石４０を有している。

【００１８】ビーム偏向分離用セプタム電磁石２０は、
ヨーク１５内に内部導体１１及び１２を有するとともに、中央部において２重構造のセプタム導体１３を有している。 また、第１の補助電磁石３０は、ヨーク２５内に内部導体２１及び２２を有しており、第２の補助電磁石４０は、ヨーク３５内に内部導体３１及び３２を有している。

【００１９】そして、例えば、ビーム偏向分離用セプタム電磁石２０のヨーク１５の側面に設けられた蔵型のコイル（図示せず）と、内部導体１１及びセプタム導体１
３で定義される領域Ｐに位置するコイルに対して、図７
に示すような方向において所定の電流を流す。 すると、
セプタム電磁石２０の内部導体１１とセプタム導体１３
とで規定される空間（第１のビーム偏向磁極空隙）１７
には、紙面垂直上向きの磁場Ｂ１が生成される。

【００２０】また、ビーム偏向分離用セプタム電磁石２
０のヨーク１５の側面に設けられた蔵型のコイル（図示せず）と、内部導体１２及びセプタム導体１３で定義される領域Ｑに位置するコイルに対して、図８に示すような方向において所定の電流を流す。 すると、セプタム電磁石２０の内部導体１２とセプタム導体１３とで規定される空間（第２のビーム偏向磁極空隙）１９には、紙面垂直下向きの磁場Ｂ２が生成される。

【００２１】さらに、第１の補助電磁石３０及び第２の補助電磁石４０に対して、ヨーク２５及び３５の側面に設けられた蔵型のコイル（図示せず）と、内部導体２１
及び２２、並びに内部導体３１及び３２とに所定の電流を、例えば、図７に示すような方向に流すことによって、第１の補助電極３０及び第２の補助電極４４０内の空間に対して、それぞれ紙面垂直上向きの磁場Ｂ３及びＢ４を生成させる。

【００２２】なお、磁場Ｂ１〜Ｂ４の絶対値は互いに等しくするとともに、第１の補助電磁石３０の長さＬ１と第２の補助電磁石４０の長さＬ２とは実質的に等しく、
それぞれセプタム電磁石２０の長さＬに対して実質的に１／２に設定されている。

【００２３】図３〜６に示すビーム偏向分離用電磁石１
０を、例えば荷電粒子加速器中に配置すると、取り出し軌道上にあるビームはビーム偏向分離用電磁石の上側に入射する。 すると、このビームは第１の補助電磁石３０
内の磁場Ｂ３によって角度θ／４で上向きに偏向される。 次いで、前記ビームは、セプタム電磁石２０内の内部導体１１とセプタム導体１３で規定される第１のビーム偏向磁極空隙１７に入射する。

【００２４】セプタム電磁石２０は第１の補助電磁石３
０の実質的に２倍の長さを有するため、同一強度の磁場Ｂ１から前記ビームに対して２倍の電磁力が加わり、前記ビームはさらに角度θ／２だけ上向きに偏向される。
次いで、前記ビームが第１の補助電磁石３０と同一長さの第２の補助電磁石４０内に入射すると、同一強度の磁場Ｂ４によって、第１の補助電磁石３０における場合と同様に、角度θ／４だけ上向きに偏向される。 したがって、取り出し軌道上にあるビームは全体として、角度θ
だけ上向きに偏向される。

【００２５】一方、周回軌道上にあるビームは、ビーム偏向分離用電磁石１０の下側に入射する。 そして、第１
の補助電磁石３０において、上記同様にして角度θ／４
だけ上向きに偏向された後、セプタム電磁石２０内の内部導体１２とセプタム導体１３とで規定される第２のビーム偏向磁極空隙１９に入射する。 第２のビーム偏向磁極空隙１９内においては、磁場Ｂ１と同一強度であって逆向きの磁場Ｂ２が存在するため、前記ビームは角度θ
／２だけ下向きに偏向される。 その後、前記ビームは第２の補助電磁石４０内に入射して、上述したように、角度θ／４がだけ上向きに偏向される。

【００２６】したがって、周回軌道にあるビームは、第１の補助電磁石３０及び第２の補助電磁石４０によって、上向きに角度θ／４×２＝θ／２だけ偏向され、セプタム電磁石２０によって、下向きに角度θ／２だけ偏向されるから、結果的に、全く偏向されない状態で、ビーム偏向分離用電磁石２０内を通過していく。

【００２７】すなわち、取り出し軌道上にあるビームはビーム偏向分離用電磁石１０内を通過することによって、角度θだけ上向きに偏向され、周回軌道上にあるビームはビーム偏向分離用電磁石１０内を通過しても、偏向せずに進行する。 したがって、取り出し軌道上にあるビームの分離が容易になり、荷電粒子加速器外へのビームの取り出しが容易になるとともに、周回軌道上にあるビームはその軌道方向を変えることなく、安定的に周回することができる。

【００２８】また、セプタム電磁石２０内にあるセプタム導体１３には、第１のビーム偏向磁極空隙１７内における磁場Ｂ１からの電磁力と、第２のビーム偏向磁極空隙１９内における磁場Ｂ２からの電磁力とが作用する。
しかしながら、磁場Ｂ１及び磁場Ｂ２の絶対値が等しいため前記電磁力は互いに相殺され、セプタム導体１３には大きな電磁力が作用しなくなる。 このため、セプタム導体１３の支持機構の構成を簡易化することができる。

【００２９】また、セプタム導体１３に作用する電磁力が相殺されるため、励磁方式を直流方式からパルス方式にすることができる。 この結果、セプタム導体の発熱を減らして、セプタム導体を薄肉化することができる。

【００３０】また、磁場Ｂ１及び磁場２からセプタム電磁石２０外に磁場が漏洩した場合においても、これらの漏洩磁場は互いに相殺し、実質的な漏洩磁場は著しく低減される。 したがって、漏洩磁場を抑制すべく、磁気シールド板などを設ける必要がなくなる。 この結果、セプタム電磁石２０の性能の劣化を防止することができる。

【００３１】図３〜６においては、本発明のビーム偏向分離用電磁石１０をビーム取り出し用として用いる場合について示したが、当然にビーム入射用として用いることもできる。 この場合においては、図３において、取り出し軌道を入射軌道とし、この入射軌道及び周回軌道にあるビームが、ビーム偏向分離用電磁石１０の右側から入射し、左側から出射するようにすれば、図３に示した軌道上を逆向きに進行して荷電粒子加速器外のビームをその内部に導入できるようになる。

【００３２】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

【００３３】例えば、上記実施例においては、補助電磁石を第１の補助電磁石３０と第２の補助電磁石４０とから構成し、これらをセプタム電磁石２０の前方及び後方に配置している。 しかしながら、前記補助電磁石は、単一の磁石から構成し、セプタム電磁石２０の前方あるいは後方に配置することもできる。

【００３４】また、上記実施例においてはセプタム電磁石２０内に生成する磁場Ｂ１及びＢ２の絶対値を互いに同一としたがこれらは互いに異なっていても良い。 しかしながら、Ｂ１及びＢ２の絶対値を同一とすることにより、第１のビーム偏向磁極空隙１７内を通過するビームと、第２のビーム偏向磁極空隙１９内を通過するビームの偏向角度を互いに同一とすることができ、ビームの軌道方向の制御を容易にすることができる。

【００３５】また、セプタム電磁石２０の長さＬと、第１の補助電磁石３０の長さＬ１及び第２の補助電磁石Ｌ
２の合計とを等しくなるようにしているが、これらは互いに異なっていても良い。 但し、上述したように、セプタム電磁石２０の長さＬと、第１の補助電磁石３０の長さＬ１及び第２の補助電磁石Ｌ２の合計とが等しくなるようにするとともに、セプタム電磁石２０内の磁場Ｂ１
及びＢ２の絶対値と、第１の補助電磁石３０内の磁場Ｂ
３の絶対値と、第２の補助電磁石４０内の磁場Ｂ４の絶対値とを等しくすることによって、周回軌道にあるビームの軌道方向を偏向させずに、取り出し軌道上にあるビームの軌道方向のみを偏向させることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複雑なセプタム導体支持機構や磁気シールド板などを設けることなく、所望するビームを偏向分離させて、例えば荷電粒子加速器外へ容易に取り出すことのできる、ビーム偏向分離用セプタム電磁石、ビーム偏向分離用電磁石、及びビーム偏向方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のセプタム電磁石の横方向断面図である。

【図２】 従来のセプタム電磁石の縦方向断面図である。

【図３】 本発明のビーム偏向分離用電磁石の好ましい態様の構成を示す横方向断面図である。

【図４】 図３に示すビーム偏向分離用電磁石のＩ−Ｉ
線に沿って切った場合の縦方向断面図である。

【図５】 図３に示すビーム偏向分離用電磁石のII−II
線に沿って切った場合の縦方向断面図である。

【図６】 図３に示すビーム偏向分離用電磁石のIII−I
II線に沿って切った場合の縦方向断面図である。

【図７】 ビーム偏向分離用電磁石に流す電流方向の一例を示す図である。

【図８】 同じく、ビーム偏向分離用電磁石に流す電流方向の一例を示す図である。

【符号の説明】

１、１１、１２、２１、２２、３１、３２ 内部導体 ３、１３ セプタム導体 ５、１５、２５、３５ ヨーク １０ ビーム偏向分離用電磁石 １７ 第１のビーム偏向磁極空隙 １９ 第２のビーム偏向磁極空隙 ２０ セプタム電磁石 ３０ 第１の補助電磁石 ４０ 第２の補助電磁石